2.1 Mạng vô tuyến nhận thức
2.1.3 Chức năng vô tuyến nhận thức
Hệ thống vơ tuyến nhận thức có các chức năng chính như sau:
Nhận biết phổ: cho phép người dùng thứ cấp (SU) phát hiện ra khoảng phổ
trống và tận dụng những khoảng tần số này để truyền tín hiệu mà khơng ảnh hưởng đến hệ thống sơ cấp.
Quản lý phổ: bao gồm hai chức năng nhỏ là phân tích phổ và quyết định
khoảng phổ nào đáp ứng tốt nhất yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) trong những khoảng phổ trống. Chia theo chức năng, quản lý phổ bao gồm:
Phân tích phổ: tính tốn ước lượng dung lượng phổ và chất lượng những hố
phổ tốt nhất. Một trong những nhiệm vụ quan trọng của chức năng phân tích phổ là tính tốn ước lượng dung lượng phổ
Quyết định phổ: quyết định lựa chọn dải phổ phù hợp thỏa mãn các yêu cầu
chất lượng dịch vụ của hệ thống thức cấp.
Chia sẻ phổ: chia sẻ phổ trong hệ thống vơ tuyến nhận thức có thể được coi
tương tự như quá trình điều khiển truy nhập chung. Khi các người dùng (hệ thống) thứ cấp luôn cố gắng truy cập vào các dải phổ trống, do đó cần thiết phải điều phối các truy cập để tránh sự xung đột trong những phần phổ chồng lấn lên nhau.
2.1.4 Mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức
Theo nhóm nghiên cứu cùng với giáo sư Goldsmith [26], có ba loại mơ hình cho mạng vơ tuyến nhận thức, bao gồm dạng nền (underlay), dạng chồng chập (overlay) và đang xen (interweave).
2.1.4.1 Mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức dạng nền (underlay)
Trong mơ hình vơ tuyến nhận thức dạng nền, mạng thứ cấp và mạng sơ cấp hoạt động trên cùng một tần số trong đó máy phát thứ cấp phải điều chỉnh công suất phát sao cho công suất can nhiễu nhận tại máy thu sơ cấp phải nhỏ hơn một ngưỡng quy định trước. Hay nói cách khác, q trình truyền nhận dữ liệu của hệ thống thứ cấp phải không được gây hại cho hệ thống sơ cấp. Do đó, vùng phủ sóng của mạng vơ tuyến nhận thức dạng nền thường nhỏ. Một nhược điểm khác của mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức dạng nền là máy phát thứ cấp cần phải biết thông tin kênh truyền lý tưởng (không trễ và không lỗi) của kênh truyền can nhiễu từ máy phát thứ cấp đến máy thu sơ cấp có thể do hệ thống sơ cấp hồi tiếp về cho hệ thống thứ cấp. Tuy nhiên trong thực tế, thơng tin kênh truyền này là có trễ và có lỗi dẫn đến thực tế
rằng hệ thống thứ cấp không thể đảm bảo mức can nhiễu quy định tại máy thu sơ cấp [27].
Hình 2.2: Chia sẽ phổ tần trong mơ hình dạng nền
2.1.4.2 Mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức dạng chồng chập (overlay)
Trong mơ hình này, mạng sơ cấp và thứ cấp hoạt động trên cùng băng tần với giả định rằng hai mạng phải trao đổi thông tin và kết hợp lẫn nhau để loại bỏ/tránh can nhiễu giữa hai mạng bằng các kỹ thuật xử lý tín hiệu phức tạp, ví dụ dirty code [26]. Một mơ hình đơn cử là hệ thống thứ cấp có thể giúp hệ thống sơ cấp cải thiện hiệu năng dạng chuyển tiếp. Cho đến nay, mơ hình mạng loại này vẫn đang được nghiên cứu và làm rõ do các giả sử và điều kiện cần thiết để triển khai mạng hoặc chưa thực tế và/hoặc chưa hợp lý.
2.1.4.3 Mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức dạng đan xen (interweave)
Mơ hình vơ tuyến nhận thức dạng đan xen là mơ hình hoạt động dựa trên khái niệm lỗ phổ dưới dạng không gian và thời gian như mơ tả trong Hình 2.3, nghĩa là hệ thống thứ cấp sẽ phát dữ liệu nếu hệ thống phát hiện ra lỗ phổ và lỗ phổ này đảm bảo chất lượng dịch vụ u cầu của hệ thống. Do đó, mơ hình này địi hỏi
Mật độ phổ cơng suất
Người dùng sơ cấp Người dùng thứ cấp
Tần số Ip
cấp. Hay nói cách khác, hệ thống thứ cấp phải dừng truyền nếu hệ thống sơ cấp truyền phát trở lại hạn chế gây can nhiễu cho hệ thống sơ cấp.
Hình 2.3: Chia sẽ phổ tần trong mơ hình dạng đan xen
Nhược điểm của mơ hình mạng loại này là khả năng đáp ứng thời gian thực do hoạt động của hệ thống thứ cấp hoàn toàn phụ thuộc vào hoạt động của hệ thống sơ cấp. Trong một số trường hợp, hệ thống thứ cấp không thể đảm bảo hoạt động khi mà hệ thống sơ cấp hoạt động liên tục. Do đó, việc kết hợp mơ hình đan xen với mơ hình dạng nền, cịn gọi là mơ hình lai, là một giải pháp hữu hiệu.
2.1.5 Cấu trúc mạng vơ tuyến nhận thức
Trong Hình 2.4, các nút trong CRN được trang bị các thiết bị CR có khả năng thay đổi các thông số thu phát dựa trên những thay đổi trong môi trường hoạt động trong các nút CRN [3]. CRN được phân chia thành hai nhóm: mạng vơ tuyến nhận thức cơ bản CRN [4] - [5] và mạng vô tuyến nhận thức tùy biến Ad hoc network (CRAHNs) [6].
Mạng vô tuyến nhận thức cơ bản CRN tồn tại một mạng truyền dẫn trung tâm như trạm BS (Base Station) để kiểm sốt thơng tin liên lạc như một mạng tế bào vô tuyến nhận thức (CRCN) [4] - [5], [7] - [8] và Wireless regional area
Người dùng thứ cấp
Tần số Người dùng sơ cấp
network WRANs), [9]. Một CRN có thể thay đổi phổ tần, duy trì và phân phối các tài nguyên phổ tần giữa các CRN.
Hình 2.4: Cấu trúc của mạng vơ tuyến nhận thức CRN
Trong Hình 2.4 các SU có thể sử dụng cả phổ tần được cấp phép có sẵn của một PU và phổ tần khơng được phép. Một trạm gốc BS của CR giao tiếp với một nút thứ cấp tại kênh mà nó có thể thay đổi. Các thiết bị nằm ngang trong Hình 2.4 kết nối với nhau bằng kênh được cấp phép. Việc truy cập và sử dụng một phần phổ tần khác nhau tùy theo các loại băng tần. Các phổ tần được cấp phép bình thường được sử dụng bởi các PU; do đó, SU được yêu cầu để phát hiện các hoạt động phổ tần của PU. Nút sơ cấp SU sẽ nhận được tín hiệu của kênh truyền được cấp phép PU gần nhất. Hơn nữa, các SU phải chuyển đổi sang phổ tần khác khi PU đang sử các phổ tần này. Trong trường hợp này, các SU chuyển sang các phổ tần tiếp theo
tốt nhất có sẵn. Để truy cập vào các phổ tần không được cấp phép, các SU phải cạnh tranh với các SU khác.
Như vậy, ở mạng sơ cấp, người dùng sơ cấp PU có quyền sử dụng tần số bất kỳ lúc nào. Ngược lại, những người dùng thứ cấp khơng có quyền sử dụng những tần số này. Vì vậy, những người dùng này chỉ có thể sử dụng nếu những tần số này khơng bị người dùng sơ cấp PU chiếm dụng.
Một trong những mơ hình đầu tiên của vơ tuyến nhận thức là mơ hình xen kẽ (Interweave) [10]. Trong mơ hình này, người dùng thứ cấp thăm dò sự hiện diện của những người dùng sơ cấp để sử dụng những tần số trống một cách hiệu quả và không can nhiễu đến người dùng sơ cấp. Gần đây, người ta đề nghị hai mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức khác mà trong đó người dùng sơ cấp chia sẻ tần số với người dùng thứ cấp. Trong mơ hình chia sẻ tần số Overlay [11], nút phát thứ cấp đóng vai trị như những bộ chuyển tiếp tín hiệu sơ cấp cho những nút sơ cấp. Nhờ sự cộng tác này nên hiệu năng của mạng sơ cấp tăng lên, trong khi đó những nút phát thứ cấp tìm thấy những cơ hội để truyền những tín hiệu của chúng đến những bộ thu thứ cấp mong muốn. Để thực hiện điều này, bộ phát thứ cấp kết hợp tuyến tính tín hiệu của chúng với tín hiệu sơ cấp nhận được từ bộ phát sơ cấp [12], [14]. Tuy nhiên, hiệu năng của mạng thứ cấp trong các phương pháp này thấp bởi vì can nhiễu từ bộ phát sơ cấp lên bộ nhận thứ cấp và sự chia sẻ công suất phát thứ cấp cho tín hiệu sơ cấp tại máy phát thứ cấp [12]-[13], [14]. Một mơ hình khác được sử dụng nhiều trong vô tuyến nhận thức có tên gọi là Underlay hay tạm dịch là mơ hình dạng nền [15]. Trong mơ hình này, người dùng thứ cấp có thể sử dụng tần số cùng lúc với người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu tạo ra từ những hoạt động của người dùng thứ cấp đến người dùng sơ cấp phải nhỏ hơn một mức giới hạn cho phép. Vì thế, cơng suất truyền của những bộ phát thứ cấp trong mơ hình này bị giới hạn, hiệu năng của mạng thứ cấp cũng giảm theo. Do đó, hiệu năng mạng trong mơ hình dạng nền được nghiên cứu trong đề tài này. Vì vậy, phân tích hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng phân chia theo công suất sẽ được trình bày trong chương 3 và đây cũng là nội dung chính của đề tài này.
2.2 Kỹ thuật chuyển tiếp trong truyền thông 2.2.1 Mạng truyền thông truyền thống 2.2.1 Mạng truyền thông truyền thống
Một mơ hình truyền thơng thường có dạng như Hình 2.5. Trong mạng truyền thông này các kết nối có dạng điểm-điểm, tức là tín hiệu được truyền thẳng từ nguồn phát đến thiết bị nhận hay cịn gọi là truyền thơng tầm nhìn thẳng (Light of Sight-LoS). Vì thế mà nó có một số nhược điểm lớn là: không đảm bảo được kênh truyền nếu tầm nhìn thẳng từ nguồn đến đích hạn chế. Do đó, một số kỹ thuật đã được nghiên cứu như mạng phân tập diện rộng (macro diversity), phân tập diện hẹp (micro diversity)… và được ứng dụng để
này. cải thiện chất lượng truyền thông. Gần đây kỹ thuật MIMO với những ưu điểm vượt trội đã được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong các mạng truyền thông. Tuy nhiên việc triển khai các mạng truyền thông nêu trên khá phức tạp và tốn kém.
BTS USER USER USER USER USER
Bên cạnh đó một mạng truyền thơng cũng được đề xuất và nghiên cứu khá nhiều là mạng truyền thông hợp tác. Mạng truyền thông hợp tác sử dụng các thiết bị riêng lẻ để tạo ra một mơ hình phân tập ảo. Trong đó các thiết bị tạo thành một mạng hợp tác để thu tín hiệu và truyền thơng qua lại giúp cải thiện đáng kể chất lượng nhưng ít tốn kém hơn. Gần đây, một kỹ thuật mới cũng mang lại sự cải thiện chất lượng hệ thống đáng kể nhưng ít tốn kém hơn là mạng truyền thông chuyển tiếp. Trong mạng truyền thơng này, tín hiệu được được tái truyền lại bởi một nút chuyển tiếp vì thế kênh truyền thơng sẽ được cải thiện hơn dẫn đến chất lượng tốt hơn.
2.2.2 Mạng truyền thông chuyển tiếp
Với mạng truyền thông, việc tăng cường dung lượng, mở rộng phạm vi phủ sóng và giảm chi phí vận hành là mục tiêu của các nhà quản lý mạng viễn thông. Một số kỹ thuật để nâng cao dung lượng và mở rộng phạm vi phủ sóng, phân tập... Kỹ thuật chuyển tiếp được giới thiệu là một công nghệ tiên tiến đã được giới thiệu như giải pháp đa anten MIMO, truyền dẫn đa điểm phối hợp đáp ứng và thỏa mãn được những yêu cầu này.
Mạng chuyển tiếp gồm một nút nguồn, một nút đích và một hay nhiều nút chuyển tiếp, mơ hình chuyển tiếp có thể chia thành nhiều dạng dựa trên các khía cạnh khác nhau như: theo số chuyển tiếp gồm mạng đơn chuyển tiếp như Hình 2.6 và mạng đa chuyển tiếp như Hình 2.7; theo chức năng gồm mạng cải thiện chất lượng và mạng mở rộng phạm vi hoạt động như mơ tả chuyển tiếp trong Hình 2.6. Trong mạng truyền thơng chuyển tiếp, tín hiệu từ nguồn sẽ được truyền đến đích thơng qua các nút chuyển tiếp. Nút chuyển tiếp có nhiệm vụ thu tín hiệu từ nguồn, sau đó xử lý và chuyển tín hiệu đã xử lý đến đích.
Hình 2.7: Mơ hình chuyển tiếp đa chặng
Nhờ vào nguyên lý hoạt động như vậy mà mạng truyền thơng chuyển tiếp có một số ưu nhược điểm như sau:
Ưu điểm:
Lợi ích về hiệu suất: lợi ích hiệu suất trong hệ thống lớn, có thể đạt được bởi độ lợi suy hao đường truyền cũng như sự phân tập và độ lợi ghép kênh. Điều đó dẫn đến năng lượng truyền dẫn giảm xuống, dung lượng cao hơn hoặc vùng phủ sóng tốt hơn.
Chất lượng cân bằng của dịch vụ: trong mạng truyền thông thơng thường, chất lượng tại các rìa hay những khu vực bị che khuất có thể bị suy giảm. Nhưng với sự chuyển tiếp cho phép cân bằng chất lượng như nhau tại mọi nơi.
Ít tổn hao về việc triển khai cơ sở hạ tầng: việc triển khai các nút chuyển tiếp cho phép mở rộng phạm vi hay chất lượng tín hiệu mà khơng cần đầu tư các trang thiết bị truyền thơng mắc tiền.
Chi phí giảm: để đạt được một mức chất lượng dịch vụ thì việc xây dựng một hệ thống chuyển tiếp được xem đỡ tốn kém hơn là xây dựng một hệ thống truyền thơng đầy đủ và chi phí cho việc bảo trì và vận hành nó cũng thấp hơn.
Nhược điểm: một số nhược điểm chính của việc sử dụng chuyển tiếp được đưa ra
như sau:
Lập lịch trình phức tạp: việc bảo dưỡng trong một hệ thống gồm nhiều nút chuyển tiếp và nhiều người dùng thách thức việc lập lịch trình cho việc chuyển tiếp phức tạp hơn rất nhiều. Không chỉ về lưu lượng của người dùng khác nhau mà còn về lưu lượng chuyển tiếp. Bất kỳ lợi ích do việc chuyển tiếp lớp vật lý mang lại đều bị lãng phí nếu khơng có xử lý đúng tại lớp mạng và lớp truy cập.
Chi phí phụ gia tăng: sự vận hành một hệ thống hồn chỉnh thì u cầu về chuyển giao, đồng bộ hóa, bảo mật… điều này dẫn đến một chi phí phụ tăng thêm so với một hệ thống không sử dụng giao thức chuyển tiếp.
Việc lựa chọn đối tác: để quyết định việc chuyển tiếp tối ưu và đối tác để hợp tác là một công việc khá phức tạp.
Nhiễu gia tăng: việc sử dụng các nút chuyển tiếp chắc chắn sẽ tạo ra một lượng nhiễu thêm vào tại các nút, điều này sẽ làm hiệu suất hệ thống giảm đi.
Thời gian chờ điểm- điểm gia tăng: việc chuyển tiếp thường liên quan đến việc nhận và giải mã của tồn bộ dữ liệu gói trước khi nó có thể được tái truyền lại, vì thế mà thời gian chờ cũng tăng lên. Để loại bỏ thời gian trễ này thì phương pháp truyền đơn giản hay phương pháp giải mã cần được sử dụng.
Đồng bộ hóa phức tạp: việc đồng bộ hóa chặt chẽ nhìn chung cần được duy trì để thúc đẩy việc hợp tác. Điều này lần lượt cần có những phần cứng đắt tiền và
chi phí phụ về kỹ thuật lớn vì các nút chuyển tiếp cần được đồng bộ thường xuyên bằng cách sử dụng một số hình thức báo hiệu hoặc những kỹ thuật khả thi khác.
Ước tính kênh truyền nhiều hơn: việc sử dụng các nút chuyển tiếp làm tăng hiệu quả số lượng của các kênh truyền vơ tuyến. Điều này địi hỏi việc ước tính cho nhiều hệ số kênh truyền hơn và vì vậy nhiều ký tự thí điểm cần phải được cung cấp nếu như việc điều chế nhất quán được sử dụng.
2.3 Các giao thức chuyển tiếp
Các kỹ thuật hay cách thức hoạt động của nút chuyển tiếp để xử lý thông tin tiếp nhận từ nút nguồn và chuyển tiếp về phía nút đích được gọi là các giao thức. Hai giao thức chuyển tiếp phổ biến thường được sử dụng nhiều trong các hệ thống truyền thông hợp tác gồm khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward – AF) và giải mà và chuyển tiếp (Decode and Forward – DF) và hai giao thức này được trình bày cụ thể trong phần tiếp theo.
2.3.1 Khuếch đại và chuyển tiếp (AF)
Việc truyền thông chuyển tiếp đơn giản nhất là sử dụng phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp (AF). Mỗi nút chuyển tiếp trong phương pháp này nhận phiên bản bị nhiễu của tín hiệu đã được truyền bởi đối tác của nó rồi sau đó khuếch đại tín hiệu thu được và chuyển tiếp nó đến nơi nhận như được mơ tả trong Hình 2.8. Nút